NO139019B

NO139019B - SYSTEMS FOR DETECTING MOVING OBJECTS WITHIN A MONITORED AREA BY MICROBOOLGE DIFFRACTION

Info

Publication number: NO139019B
Application number: NO753701A
Authority: NO
Inventors: Joergen Pontoppidan; Erik Tue Soerensen; Erik Kjaer Nielsen
Original assignee: Crone & Koch
Priority date: 1974-11-07
Filing date: 1975-11-05
Publication date: 1978-09-11
Also published as: NL7512761A; DK135353B; IT1048772B; BE835341A; FI753076A; SE7512466L; FR2290714A1; ES442400A1; AU8642875A; FR2290714B3; NO753701L; JPS5169996A; NO139019C; DK581574A; DE2550123A1; DK135353C; SE401871B; US4010459A; GB1491578A; PH12105A

Abstract

Anlegg til detektering av bevegelige objekter innen et overvåket område ved mikrobølge-diffraksjon.Plant for detecting moving objects within a monitored area by microwave diffraction.

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et anlegg som tjener til detektering av bevegelige objekter innen et overvåket område ved mikrobølge-diffraksjon og omfatter en sender og en mottager, hvorav senderen omfatter en mikrobølge-oscillator, en modulator og en sendeantenne, og mottageren omfatter en mottagerantenne, en detektor, en forsterker og et filter for det detekterte signal samt en alarmenhet som er forbundet med filterets utgang, og hvor der finnes en modulasjonsgenerator til styring av modulatoren. The present invention relates to a facility which serves to detect moving objects within a monitored area by microwave diffraction and comprises a transmitter and a receiver, of which the transmitter comprises a microwave oscillator, a modulator and a transmitting antenna, and the receiver comprises a receiving antenna, a detector, an amplifier and a filter for the detected signal as well as an alarm unit which is connected to the filter's output, and where there is a modulation generator for controlling the modulator.

I et slikt anlegg blir signalet som utsendes av sendeantennen, modi fi sert med både stasjonære og bevegelige objekter i det overvåkede område ved refleksjon og/eller absorpsjon før det når frem til mottagerenheten, og en endring av det signal som mottas av denne, vil derfor være en indikasjon på at et bevegelig objekt, f .eks. en person, befinner seg 1 det overvåkede område. In such a facility, the signal emitted by the transmitting antenna is modified by both stationary and moving objects in the monitored area by reflection and/or absorption before it reaches the receiver unit, and a change in the signal received by it will therefore be an indication that a moving object, e.g. a person is located in the monitored area.

Er et slikt anlegg oppbygget på grunnlag av vanlige komponenter, vil disse måtte være av meget høy kvalitet og derfor kost-bare, eller man må til stadighet kontrollere og innstille anlegget for å sikre at der ikke skjer innbyrdes drift av sender og mottager i en grad som kunne gi opphav til falsk eller sviktende alarm. If such a system is built on the basis of ordinary components, these will have to be of very high quality and therefore expensive, or one must constantly check and adjust the system to ensure that there is no mutual operation of transmitter and receiver to a certain extent which could give rise to a false or failing alarm.

Hensikten med oppfinnelsen er å unngå disse ulemper. Med The purpose of the invention is to avoid these disadvantages. With

sikte på dette er ifølge oppfinnelsen det nevnte filter et kommuterende filter med et antall kondensatorer som er innrettet til syklisk å tilsluttes som filtershuntkondensatorer i en syklus som styres av modulasjonsgeneratoren, og hvis periode er lik modula-sjonsperloden. For å bevirke denne styring er senderen og mottageren fortrinnsvis forbundet innbyrdes med en kabel til overføring av modulasjonsgeneratorens signal. in view of this, according to the invention, said filter is a commutating filter with a number of capacitors which are arranged to be cyclically connected as filter shunt capacitors in a cycle which is controlled by the modulation generator, and whose period is equal to the modulation period. In order to effect this control, the transmitter and the receiver are preferably connected to each other with a cable for transmitting the modulation generator's signal.

Et kommuterende filter av den angitte art har den egenskap at det bare slipper frem et smalt frekvensbånd på hver side av syklusfrekvensen og med avtagende amplitude - dens harmoniske - og da syklusfrekvensen i samsvar med oppfinnelsen er låst til modulasjonsfrekvensen, vil mottageren alltid være nøyaktig avstemt på senderen uansett eventuell drift av bærefrekvensen eller modulasjonsfrekvensen og eventuelle endringer i tilstanden av mottagerens komponenter. Det er derfor mulig å bygge anlegget av relativt billige komponenter uten behov for høy presisjon, og disse kan innen rimelige grenser anbringes under hvilke som helst klimatiske og termiske forhold uten at disse influerer på anleggets korrekte funksjon. Da sender- og mottagerenhetene ikke behøver å innstilles gjensidig, blir monteringen ytterst enkel, og der blir praktisk talt ikke behov for tilsyn og kontroll av anlegget. Falsk eller sviktende alarm på grunn av endringer av komponentenes elektriske data er praktisk talt utelukket. Når endringer av det mottatte signal forekommer som følge av tilstedeværelsen av bevegelige objekter i det overvåkede område, vil filterets innsvingningstid være forsvinnende i forhold til hastigheten av signalvariasjonene som er av interesse for overvåkningsformål, så det signal som passerer filteret, alltid vil kunne tas som virkelig representativt for det mottatte signals modulasjonsinnhold på et hvilket som helst tidspunkt og derfor vil egne seg til å styre en alarmenhet, f.eks. på en slik måte at det starter en alarm når amplituden av det mottatte signal og dermed også av det filtrerte signal undergår en endring utover fastlagte grenser i løpet av en kort tid. En ytterligere fordel består i at det blir mulig å plasere to eller flere anlegg ifølge oppfinnelsen i nærheten av hverandre uten at de forstyrrer hverandre, f.eks. A commutating filter of the type indicated has the property that it only emits a narrow frequency band on either side of the cycle frequency and with decreasing amplitude - its harmonic - and as the cycle frequency in accordance with the invention is locked to the modulation frequency, the receiver will always be exactly tuned to the transmitter regardless of any operation of the carrier frequency or modulation frequency and any changes in the condition of the receiver's components. It is therefore possible to build the plant from relatively cheap components without the need for high precision, and these can be placed within reasonable limits under any climatic and thermal conditions without these influencing the correct function of the plant. As the transmitter and receiver units do not need to be mutually adjusted, assembly is extremely simple, and there is practically no need for supervision and control of the system. False or failing alarms due to changes in the electrical data of the components are practically excluded. When changes in the received signal occur due to the presence of moving objects in the monitored area, the settling time of the filter will be vanishing in relation to the speed of the signal variations of interest for monitoring purposes, so the signal that passes the filter will always be taken as real representative of the received signal's modulation content at any time and will therefore be suitable for controlling an alarm unit, e.g. in such a way that an alarm starts when the amplitude of the received signal and thus also of the filtered signal undergoes a change beyond fixed limits within a short time. A further advantage consists in the fact that it becomes possible to place two or more facilities according to the invention near each other without them interfering with each other, e.g.

for å overvåke et område fra forskjellige vinkler eller å overvåke områder i umiddelbar nærhet av hverandre. to monitor an area from different angles or to monitor areas in close proximity to each other.

Modulasjonssignalet kan fordelaktig være et firkantbølge-signal, hvorved modulasjonen kan realiseres ved enkel slutnings-brytningsteknikk. På grunn av det kommuterende filters spesielle passbåndkarakteristikk er det særlig egnet til å behandle denne bølgeform, fordi det ikke bare lar grunnmodulasjonsfrekvensen, men også dens harmoniske passere og derfor slipper et maksimum av signalets modulasjonsenergi igjennom, hyorved der oppnås et gunstig signal/støyferhold. The modulation signal can advantageously be a square wave signal, whereby the modulation can be realized by a simple circuit-breaking technique. Due to the commutating filter's special passband characteristics, it is particularly suitable for processing this waveform, because it not only allows the fundamental modulation frequency, but also its harmonics to pass and therefore lets a maximum of the signal's modulation energy through, thereby achieving a favorable signal/noise ratio.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli belyst nærmere under henvisning til tegningen. Fig. 1 er et blokkskjerna over en utførelsesform for et mikrobølge-overføringsanlegg ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et symbolsk skjema for et kommuterende filter som inngår i anlegget på fig. 1. Fig. 3 er et blokkskjerna for et kommuterende filter med et elektronisk skiftarrangement svarende til det som er vist symbolsk på fig. 2. Fig. 4 er et blokkskjerna over hovedkomponentene i en form for alarmenhet som kan anvendes i anlegget på fig. 1, og The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of a microwave transmission system according to the invention. Fig. 2 is a symbolic diagram for a commutating filter which is part of the system in fig. 1. Fig. 3 is a block core for a commutating filter with an electronic shift arrangement corresponding to that shown symbolically in fig. 2. Fig. 4 is a block diagram of the main components of a form of alarm unit that can be used in the plant in fig. 1, and

fig. 5 er en skjematisk illustrasjon av det overvåkede område som er bestemt ved senderen og mottageren i et anlegg ifølge oppfinnelsen. fig. 5 is a schematic illustration of the monitored area determined by the transmitter and the receiver in a facility according to the invention.

På fig. 1 er anlegget til detektering av bevegelige objekter vist å omfatte en sender 1 og en mottager 7 innbyrdes forbundet ved en kabel 3 som vil bli omtalt nærmere senere. Senderen 1 omfatter en mikrobølge-oscillator 5, f.eks. en 10 GHz Gunn-oscillator, som er forbundet med en modulator 4, eksempelvis en firkantbølgemodulator. Modulatoren 4 er forbundet med en modulasjonsgenerator 2, som kan være en tonegenerator med en frekvens i området 10-100 kHz. I den viste utførelsesform er modulasjonsgeneratoren anbragt i senderens hus, men den ville også kunne anbringes i mottagerens hus eller på et hvilket som helst annet sted. Det mikrobølgesignal som frembringes av oscillatoren 5, blir utstrålt via en sendeantenne 6, f.eks. en hornantenne. Mottageren 7 omfatter en mottagerantenne 8, som likeledes kan være en hornantenne, og som er forbundet med en detektor 9 som i sin tur er tilsluttet en forsterker 10. Denne er forbundet med et filter 11 som kan avgi et signal til en alarmenhet 12. Filteret 11 er et kommuterende filter - jfr. fig. 2 og 3 - og utgjøres av en seriemotstand R forbundet med en og en klemme på In fig. 1, the system for detecting moving objects is shown to comprise a transmitter 1 and a receiver 7 interconnected by a cable 3 which will be discussed in more detail later. The transmitter 1 comprises a microwave oscillator 5, e.g. a 10 GHz Gunn oscillator, which is connected to a modulator 4, for example a square wave modulator. The modulator 4 is connected to a modulation generator 2, which can be a tone generator with a frequency in the range 10-100 kHz. In the embodiment shown, the modulation generator is placed in the transmitter's housing, but it could also be placed in the receiver's housing or in any other location. The microwave signal produced by the oscillator 5 is radiated via a transmitting antenna 6, e.g. a horn antenna. The receiver 7 comprises a receiver antenna 8, which can also be a horn antenna, and which is connected to a detector 9 which in turn is connected to an amplifier 10. This is connected to a filter 11 which can emit a signal to an alarm unit 12. The filter 11 is a commutating filter - cf. fig. 2 and 3 - and is made up of a series resistance R connected with one and one clamp on

et antall (n) shuntkondensatorer C. Den annen klemme på disse kondensatorer C blir i syklisk rekkefølge koblet til jord over et sklftarrangement som på fig. 2 er vist symbolsk ved en bryterarm 13 som roterer med en omløpsfrekvens lik modulasjonsfrekvensen for modulasjonsgeneratoren 2. I virkeligheten blir forbindelsen mellom bryterarmen 13 og de respektive kondensatorklemmer sluttet og brutt elektronisk - jfr. fig. 3. I den foretrukne utførelsesform for a number (n) of shunt capacitors C. The other terminal of these capacitors C is connected in cyclic order to earth via a slat arrangement as in fig. 2 is shown symbolically by a switch arm 13 which rotates with an orbital frequency equal to the modulation frequency of the modulation generator 2. In reality, the connection between the switch arm 13 and the respective capacitor terminals is closed and broken electronically - cf. fig. 3. In the preferred embodiment of

filteret 11 i henhold til denne figur utgjøres de kontaktsluttende elementer av et antall n (i eksempelet 8) transistorer T1-T8 som gjøres ledende en ad gangen ved anvendelse av en digital krets. filter 11 according to this figure, the contact closing elements are made up of a number of n (in the example 8) transistors T1-T8 which are made conductive one at a time by using a digital circuit.

Denne omfatter en pulsgenerator 17 som via kabelen 3 utnytter modu-las jonsstyresignaler fra modulasjonsgeneratoren 2 som taktpuls til å frembringe pulser med en frekvens lik åtte ganger modulasjons-styresignalets. Til pulsgeneratoren 17 er der koblet en binær teller 18 (3 biter) som utfører en telling fra 1 til 8. Det digitale signal som avgis av telleren 18, dekodes ved hjelp av dekoderen 19 for å levere et signal suksessivt til åtte ledere som er forbundet med basis hos hver sin av transistorene T1-T8 for å gjøre hver av disse ledende i et tidsrom lik l/n (i eksempelet 1/8) av modulasjonsperioden, Dette skiftarrangement er ekvivalent med en rotasjon av bryterarmen 13 på fig. 2 med en frekvens lik modulasjonsfrekvensen. Forbindelsen mellom pulsgeneratoren 17 og modulasjonsgeneratoren 2 over kabelen This includes a pulse generator 17 which, via the cable 3, utilizes modulation control signals from the modulation generator 2 as a clock pulse to produce pulses with a frequency equal to eight times that of the modulation control signal. A binary counter 18 (3 bits) is connected to the pulse generator 17 which performs a count from 1 to 8. The digital signal emitted by the counter 18 is decoded by means of the decoder 19 to deliver a signal successively to eight conductors which are connected with the base of each of the transistors T1-T8 to make each of these conductive for a time period equal to l/n (in the example 1/8) of the modulation period. This shift arrangement is equivalent to a rotation of the switch arm 13 in fig. 2 with a frequency equal to the modulation frequency. The connection between the pulse generator 17 and the modulation generator 2 over the cable

3 tjener til å styre denne "rotasjon". 3 serves to control this "rotation".

Ved en mikrobølgefrekvens i X-båndet, f.eks. en frekvens av At a microwave frequency in the X band, e.g. a frequency of

10 GHz (bølgelengde ca. 3 cm) som angitt ovenfor, vil de fysiske omgivelser være praktisk talt 100% reflekterende og derfor modifi-sere bølgeformen av det signal som mottas av mottagerantennen 8, i forhold til bølgeformen av det signal som utstråles fra sendeantennen 6. Men så lenge omgivelsene er i en stasjonær, uforstyrret tilstand, vil det signal som. mottas av mottagerantennen 8, være konstant, mens det mottatte signal, når der forekommer et bevegelig objekt i overføringsfeltet mellom sendeantennen og mottagerantennen, vil bli endret som følge av refleksjon og/eller absorpsjon på det bevegelige objekt. Dette fenomen blir i anlegget ifølge oppfinnelsen utnyttet til å bringe en alarm til å starte når, og bare når, det signal som mottas av mottagerantennen 8, undergår endringer utover fastlagte tilstander i forhold til referansetilstanden, som er bestemt ved den stasjonære og uforstyrrede tilstand av omgivelsene som hersker i øyeblikket. I dette øyemed kan alarmenheten 12 som vist på fig. 4, omfatte en detektor 20 med nullpunktforskyvning, en alarmrelékrets 21 forbundet med utgangen fra detektoren 20, en tilbakekoblingskrets 22 inneholdende lavpassfilterorganer som forbinder utgangen fra detektoren 20 med forsterkeren 10 eller med et trinn i denne forsterker for automatisk styrkeregulering,; samt et alarmapparat 23, f.eks. en klokke eller sirene og/eller kontrollampe, som er innrettet til å kobles inn og ut av alarmrelékretsen. 10 GHz (wavelength approx. 3 cm) as indicated above, the physical surroundings will be practically 100% reflective and therefore modify the waveform of the signal received by the receiving antenna 8, in relation to the waveform of the signal radiated from the transmitting antenna 6 But as long as the environment is in a stationary, undisturbed state, it will signal that. received by the receiving antenna 8, be constant, while the received signal, when there is a moving object in the transmission field between the transmitting antenna and the receiving antenna, will be changed as a result of reflection and/or absorption on the moving object. This phenomenon is utilized in the plant according to the invention to cause an alarm to start when, and only when, the signal received by the receiver antenna 8 undergoes changes beyond established states in relation to the reference state, which is determined by the stationary and undisturbed state of the surroundings that prevail at the moment. To this end, the alarm unit 12 as shown in fig. 4, comprise a detector 20 with zero-point displacement, an alarm relay circuit 21 connected to the output of the detector 20, a feedback circuit 22 containing low-pass filter means which connect the output of the detector 20 to the amplifier 10 or to a stage in this amplifier for automatic strength regulation; as well as an alarm device 23, e.g. a bell or siren and/or pilot light, which is arranged to be switched on and off by the alarm relay circuit.

Den beskrevne utførelsesform for anlegget ifølge oppfinnelsen virker som følger: Det periodiske signal som frembringes av modulasjonsgeneratoren 2 og f.eks. kan ha form av et pulskodet signal, tilføres modulatoren 4 for å modulere mikrobølge-oscillatoren 5. Via sendeantennen 6 blir de av oscillatoren 5 frembragte mikrobølger strålt ut i retning mot mottagerantennen 8. Denne mottar mikrobølgesignalet modifisert av omgivelsene og leder det til detektoren 9 for detektering. Det detekterte signal tilføres forsterkeren 10, som bringer det opp på et passende nivå styrt av lavpassfilter-tilbakekoblingskretsen 22. Signalet blir derpå filtrert av det kommuterende filter 11 og tilført detektoren 20 i alarmenheten, som av de tidligere forklarte grunner frembringer et utgangssignal som representerer det mikrobølgesignal som blir mottatt av mottagerantennen 8. Takket være lavpassfilter-tilbakekoblingskretsen 22, vil dette signal forbli på et konstant nivå så lenge det modifiserte mikrobølgesignal som mottas av mottagerantennen, er konstant eller bare forandrer seg meget langsomt, f.eks. på grunn av endring i værforhold, snefall eller vekst av planter i det overvåkede område. Forekomst av bevegelige objekter innen det overvåkede område vil imidlertid bevirke at det signal som mottas av mottagerantennen, forandrer seg, hvorved utgangssignalnivået fra detektoren 20 vil forandre seg med en hastig-het som ikke kan kompenseres av lavpassfilter-tilbakekoblingskretsen 22, og hvis økningen eller minskningen overskrider de fastlagte grenser, vil alarmrelékretsen reagere for å sette alarmapparatet 1 funksjon. Meget kortvarige eller høyfrekvente endringer av signalet som mottas av mottagerantennen, f.eks. stammende fra fugler som flyr gjennom det overvåkede område, vil bli undertrykket enten av det kommuterende filter 11 eller av en eventuell treghet i« alarmrelékretsen 21 eller begge deler og vil derfor ikke bringe alarmrelékretsen 21 til å reagere. På den annen side vil der bli slått alarm hvis utgangssignalet fra detektoren 20 blir forandret - selv langsomt - i en slik grad at endringen ikke lenger kan kompenseres av lavpassfilter-tilbakekoblingskretsen 22 (noe som kan være et tegn på en feil i anlegget), eller i tilfellet av sviktende strømforsyning (hvis alarmapparatet 23 har sin egen strømforsyning). The described embodiment of the plant according to the invention works as follows: The periodic signal produced by the modulation generator 2 and e.g. can take the form of a pulse-coded signal, is supplied to the modulator 4 to modulate the microwave oscillator 5. Via the transmitter antenna 6, the microwaves produced by the oscillator 5 are radiated in the direction of the receiver antenna 8. This receives the microwave signal modified by the surroundings and leads it to the detector 9 for detection. The detected signal is applied to the amplifier 10, which brings it up to an appropriate level controlled by the low-pass filter feedback circuit 22. The signal is then filtered by the commutating filter 11 and applied to the detector 20 in the alarm unit, which, for the previously explained reasons, produces an output signal representing the microwave signal received by the receiving antenna 8. Thanks to the low-pass filter feedback circuit 22, this signal will remain at a constant level as long as the modified microwave signal received by the receiving antenna is constant or only changes very slowly, e.g. due to changes in weather conditions, snowfall or growth of plants in the monitored area. However, the presence of moving objects within the monitored area will cause the signal received by the receiving antenna to change, whereby the output signal level from the detector 20 will change at a rate that cannot be compensated by the low-pass filter feedback circuit 22, and if the increase or decrease exceed the established limits, the alarm relay circuit will react to set the alarm device 1 function. Very short-term or high-frequency changes in the signal received by the receiving antenna, e.g. originating from birds flying through the monitored area, will be suppressed either by the commutating filter 11 or by any inertia in the alarm relay circuit 21 or both and will therefore not cause the alarm relay circuit 21 to respond. On the other hand, an alarm will be raised if the output signal from the detector 20 changes - even slowly - to such an extent that the change can no longer be compensated by the low-pass filter feedback circuit 22 (which may be a sign of a fault in the system), or in the event of a power supply failure (if the alarm device 23 has its own power supply).

Fig. 5 viser et eksempel på formen av det effektive overvåkede område som kan oppnås ved et anlegg ifølge oppfinnelsen når senderen 1 og mottageren 7 , deres respektive hornantenner innbefattet, er montert i lukkede værfaste kasser, idet den stiplede linje 24 angir begrensningene for det effektive overvåkede område. Avstanden mellom sender 1 og mottager 7 kan typisk ligge i området 10-300 m. Fig. 5 shows an example of the shape of the effective monitored area that can be achieved with a facility according to the invention when the transmitter 1 and the receiver 7, their respective horn antennas included, are mounted in closed weatherproof boxes, the dashed line 24 indicating the limitations of the effective monitored area. The distance between transmitter 1 and receiver 7 can typically be in the range of 10-300 m.

Anlegget ifølge oppfinnelsen er særlig egnet til utendørs anvendelse i fengsler, militære anlegg, oljeraffinerier, rørlednings-områder, embedsboliger, muséer etc. The plant according to the invention is particularly suitable for outdoor use in prisons, military facilities, oil refineries, pipeline areas, official residences, museums etc.

Claims

1. Installation for detecting moving objects within a monitored area by microwave diffraction, comprising a transmitter (1) and a receiver (3), of which the transmitter (1) comprises a microwave oscillator (5), a modulator (4) and a transmitting antenna (6), and the receiver (7) comprises a receiving antenna (8), a detector (9), an amplifier (10) and a filter (11) for the detected signal as well as an alarm unit (12) which is connected to the filter's (11) output, and where there is a modulation generator (2) for controlling the modulator (4), characterized in that the filter (11) is a commutating filter with a number of capacitors (C) arranged to be cyclically connected as filter shunt capacitors in a cycle controlled by the modulation generator (2) and with a period equal to the modulation period.

2. Installation as stated in claim 1, characterized in that the transmitter (1) and receiver (7) are interconnected by a cable (3) for transmission of the modulation generator's (2) signal.

3. Installation as specified in claim 1, characterized in that the modulation signal is of the square wave type.

4. Plant as specified in claim 1, characterized in that the commutating filter (11)'s cyclic shift system is controlled by a digital counter (18) which uses the modulation generator's (2) signal as a clock pulse, as each capacitor (C) in the commutating filter (11) ) is switched on during l/n of the modulation period, where n is the number of capacitors (C).

5. Installation as stated in claim 1, characterized in that the modulation frequency is in the range 10-100 kHz.